결과및고찰
토양 특성
본 연구에서 사용한 염류집적 토양의 화학적 특성은 Table 1과 같다. 파프리카 재배 토양의 pH는 6.13으로 국내 시설재배 적정범위 수준을 보였으나, 토마토 재배 토양의 경우 pH 7.58로 적정범위를 초과하였다. EC는 파프리카와 토마토 재배 토양이 각각 7.25와 4.95 dS/m로 농작물 생육장해 기준인 2.0 dS/m를 초과한 수치를 나타냈다[9]. 채취 토양의 높은 EC는 염류 집적에 기인한 것으로 판단된다.
교환성 칼슘과 마그네슘의 농도는 파프리카 재배 토양에서 적정범위보다 각각 10배, 7배 높은 수준으로 나타났다. 토마토 재배 토양에서는 교환성 양이온 함량이 적정범위보다 약 10배 높았으며, 유효인산 함량은 2배 이상 높은 수준으로 나타났다. 이는 연작과 화학비료의 과도한 시비가 빈번하게 발생하는 시설재배의 특성에서 기인한 것으로 판단된다[8,9,11].
비효시험에 사용한 토양의 pH, 교환성 칼륨의 경우 국내 밭토양 적정범위에 속하였고, 유효인산 및 교환성 칼슘은 적정범위보다 낮은 수준을 보였다(Table 2). 또한 교환성 마그네슘 함량은 적정수준 이상을 함유하는 것으로 나타났다. 토양의 미량 영양원소 함량은 B, Fe, Mn, Zn이 각각 0.78, 13.5, 5.87, 2.34 mg/kg의 수준으로 나타났다.
개량제 투입에 따른 염류 저감
시설재배 토양에 개량제를 처리하고 30일간 방치한 토양의 pH 및 염류 농도는 Table 3과 같다. 개량제가 처리된 토양의 pH는 대조구에 비해 증가하였다. 일반적인 작물 생육 범위에는 포함되었지만[24], 파프리카(적정 pH 5.5-5.7)와 토마토(적정 pH 6.0-6.5) 재배 토양의 적정 pH 범위보다 다소 높게 나타났다(NIAS, 2017). 이는 개량제에 함유된 영가철과 석탄회의 특성이 기인한 것으로 판단된다. 영가철에 의한 pH 증가는 토양 내에서 철이온(Fe2+, Fe3+)으로 산화되며 생성되는 전자와 OH-기의 영향과[16,23] 석탄회에 존재하는 수용성 이온의 함량 대부분이 Ca(OH)2로 포화되어 있는 특성에 따른 것으로 판단된다[13,15,25].
토양의 EC는 모든 처리구에서 유의하게 감소하였고, 대조구(6.78과 4.77 dS/m)와 비교하였을 때 개량제 처리량을 증가시킴에 따라 10%(40 g/10a)에서 50%(400 g/10a) EC가 감소하여 안정화 효율이 증가하는 것으로 나타났다. EC와 염류 농도는 정비례 관계에 있기 때문에 본 연구에서 제조한 개량제는 염류 경감에 효율적이라고 판단된다[26]. 개량제의 처리로 작물생육 장해 농도(2.0 dS/m)를 만족시키지는 못했지만, 정상토양(pH<8.5, EC<4.0 dS/m)의 범위는 만족하여 염류에 민감한 농작물을 제외하면 생육에 지장이 없는 수준으로 나타났다[26].
토양 내 염류 중 화학비료에 대한 의존도가 높은 인산, 칼슘, 칼륨 및 마그네슘의 유효태 함량을 분석하였다. 토양 내 염류는 EC와 마찬가지로 개량제 처리에 따라 모든 원소가 대조구보다 유의하게 감소하였고, 처리량을 증가시키면 토양 내 염류 안정화 효율성이 향상되는 것으로 나타났다. 특히, 국내 시설하우스 염류집적 토양에서 가장 문제시되는 유효인산의 경우 적정범위(300-500 mg/kg)를 크게 초과하였던 토마토 재배 토양(대조구 1193 mg/kg)에서 개량제의 처리 후 331 mg/kg(40 g/10a)과 131 mg/kg(400 g/10a)으로 적정범위 내 또는 그 이하까지 크게 감소하는 것으로 측정되었다. 이는 개량제 처리에 의한 높은 공극률과 투수도, 흡착, 희석(dilution) 등에 의한 물리성 개선의 영향으로 판단된다[27,28].
개량제를 투입한 모든 토양의 교환성 양이온은 대조구 대비 유의하게 감소(파프리카 재배 토양 48-87%, 토마토 재배 토양 58-89%)하였지만 유효인산과 비교하여 효율이 높지 않은 것으로 나타났다. 이는 개량제 처리에 따라 토양 pH가 증가하며 양이온성의 원소의 이동성 감소에 따라 저감효율이 낮아졌거나[24], 석탄회에 포함된 수용성 양이온이 해리(dissociation)되며 나타난 결과로 판단된다[13,22].
개량제 처리에 따른 토양 EC와 염류 농도 간의 상관관계를 분석하였다(Table 4). 토양 EC와 염류 종류 또는 토양 염류 농도의 상관계수(r)는 0.672(p<0.05)~0.985(p<0.01)로 높은 정의 상관관계를 나타내었다. 이는 본 연구에서 사용된 토양개량제가 토양의 염류집적 경감에 효과적이라고 판단된다. 이는 염류집적 토양의 염 제거량과 EC가 유사하게 감소한다고 보고한 연구결과들과 일치하였다[8,24]. 또한, 염류집적 토양의 염류 함량보다 식물에 의해 흡수가 용이한 토양 용액 중 수용성 염류의 안정화가 더 중요한 인자로 보고하였고[12], 토양 내 유효태 염류 함량과 수용성 염류 함량은 높은 상관성이 있는 것으로 보고한 결과와 같이 토양 내 염류 안정화는 수용성 염류의 안정화에도 이점이 있을 것으로 판단된다[11].
비효 시험: 토양 특성 변화
본 실험에서는 작물을 수확한 후 개량제 처리에 따른 토양의 미량 및 다량 영양소 함량을 분석하였다(Table 5). 토양의 유효인산 함량은 개량제 처리에 의해 유의하게 증가하였는데, 이는 석탄회(비산재)의 높은 표면적으로 인해 일반적인 유기물과 비교하여 양분의 흡착능이 큰 것으로 판단된다[29]. 이와 유사하게, 석탄회의 토양 처리가 식물이 유효태 인산 함량을 증가시킨다고 보고된 바 있다[22,30,31]. 높은 표면적의 흡착제는 오히려 유효인산의 농도를 감소시킬 수 있으나, 근권(rhizosphere) 미생물이 분비하는 인산가수분해효소(phosphatase)의 작용으로 인해 토양 내 불용성 인산이 가용화되어 유효인산 함량이 유의하게 증가한 것으로 판단된다[32]. 식물 유효태 철 함량의 경우 400 g/10a 처리 수준에서 대조구보다 증가하였고, 이는 개량제 표면에 코팅한 영가철의 영향으로 판단된다. 하지만, 40 g/10a 개량제를 처리한 시험구에서는 철 함량이 증가하지 않았으며, 이는 처리한 개량제에 함유된 적은 영가철 함량에 기인한 것으로 판단된다.
미량 영양소인 붕소와 망간의 토양 내 함량은 개량제 처리에 따라 대조구보다 증가하는 경향을 보였으나, 통계적으로 유의성이 없는 것으로 나타났다. 또한, 토양 내 교환성 양이온 함량의 경우도 개량제 처리로 농도가 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 기존 석탄회 처리에 따른 토양 내 교환성 양이온 함량이 증가한다는 연구 결과와 상이하다. 개량제 투입 후 배양 기간이 다소 짧고 본 실험에서 사용된 석탄회의 성분에 기인된 결과로 판단된다[13,22].
토양 내 비소 함량은 대조구를 포함하는 모든 처리구에서 검출한계 미만으로 측정되었다. 카드뮴과 납의 경우 대조구(각각 1.27 mg/kg과 11.2 mg/kg) 보다 소폭 증가하여 각각 1.38-1.51 mg/kg과 11.9-12.1 mg/kg의 범위로 나타났다. 토양 내 중금속 함량은 증가하였지만, 국내 토양환경보전법 상의 기준을 충족한 수준으로 향후 석탄회의 농업적 이용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
비효 시험: 작물 생육 변화
개량제를 처리한 토양에 유모를 이식하고 초기(이식 후 10일)와 수확 시(30일) 생육을 조사하였다. 각 처리구별 생육 결과는 Fig. 1과 같다. 수확 후 측정한 열무 뿌리와 줄기의 길이는 대조구(각각 13.8 cm/unit과 14.9 cm/unit)보다 처리구의 생육량이 약 10% 증가하였고, 뿌리 초기 생육은 대조구(3.40 cm/unit)보다 처리구 40 g/10a와 400 g/10a에서 각각 6.17 cm/unit과 6.63 cm/unit로 약 2배 증가한 것으로 나타났다. 뿌리는 토양과 직접 접하는 부위로 초기 생육 단계에서 개량제의 효과에 민감하게 반응하며 나타난 결과로 판단되며, 철은 미량 영양소의 하나로 농작물의 초기 생육 증진에 도움을 준다는 결과와 일치하였다[26,33]. 철에 의한 식물독성 농도는 1000 mg/L 수준이며, 500 mg/L 이하의 농도가 식물의 생육에 적합하다는 기존 연구 결과와 일치하였다[26,34,35]. 기술하지는 않았지만 줄기의 SPAD 분석 결과 개량제 처리구에서 수확한 열무의 경우 33.2와 37.1로 대조구(30.1)보다 증가하였고, 개량제의 주성분인 영가철과 석탄회의 영향으로 엽록소 합성이 촉진된 결과로 판단된다[22,26].
처리구에서 수확한 열무의 건중량의 경우 대조구(줄기 3397 mg/unit, 뿌리 172 mg/unit)보다 유의하게 증가하여 4414-4964 mg/unit와 279-300 mg/unit으로 나타났다(Fig. 2). 건중량은 개량제 처리구에서 정식 후 10일과 30일 모두 증가되었다. 50 mg/L의 영가철을 처리하였을 때 부들(Typha latifolia)의 길이와 무게가 30% 정도 증가했으며, 석탄회를 처리하였을 때 벼의 생육량과 생산량이 증가했다는 기존 연구결과들과 일치하였다[22,35].
처리구에서 수확한 열무의 다량 영양소 함량은 Table 6과 같다. T-P와 Ca의 함량은 대조구보다 400 g/10a 처리한 실험구에서 유의하게 증가하였으며, K과 Mg 함량은 대조구와 유사하였다. 이는 석탄회의 처리에 따라 토양 내 식물 유효태 인산 등을 증가시켜 생육에 이점을 제공할 수 있다고 보고한 결과와 일치하였다[22,30,31].
식물 미량 영양소인 B, Fe, Mn의 함량은 대조구(각각 14.1, 181 및 102 mg/kg)보다 실험구에서 각각 15.1-18.9, 218-226 및 106-125 mg/kg으로 유의하게 증가하였고, 아연의 함량은 대조구와 비슷한 수준이었다. 석탄회의 경우 B, Fe, Mn 등의 미량 영양소를 함유하고 있어 식물영양소 제공원으로 활용이 가능하다고 보고된 바 있으며[22,30], 영가철이 처리된 토양에서 생육한 식물 뿌리의 세포막에서 철이 검출된다고 보고한 결과와 일치하였다[35].
수확한 열무의 체내 중금속 함량 분석결과 비소와 납 함량은 400 g/10a 처리구에서 각각 0.10 mg/kg과 0.15 mg/kg으로, 대조구(각각 0.05 mg/kg와 0.13 mg/kg)보다 증가하였고, 카드뮴 함량은 대조구(0.03 mg/kg)와 비슷한 0.02 mg/kg 수준으로 나타났다. 개량제 처리구에서 수확한 열무의 비소와 납 함량은 다소 증가하였지만, 이는 국내 식품공전의 기준치(Korea Food Standards Codex)를 만족하는 범위로, 향후 석탄회를 포함한 토양개량제의 농업 분야 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Note
The authors declare no conflict of interest.
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